DE19637632A1 - Numerisches Bahn-Steuersystem - Google Patents

Numerisches Bahn-Steuersystem

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein numerisches Bahn-Steuersystem zur Steuerung von Vorschubantrieben.
Zu den wichtigsten Elementen automatischer Fertigungseinrichtungen zäh­ len die Vorschubantriebe, die entsprechend den vorgegebenen Bewe­ gungsanweisungen in Verbindung mit den Werkzeugen die Kontur der Werkstücke erzeugen. Das Steuerungssystem der Maschine wertet diese Bewegungsanweisungen aus und gibt sie über einen Interpolator an die Vorschubeinheit (die Stelleinrichtung für die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück) als Führungsgröße weiter. Der Vorschubmotor führt daraufhin eine Drehwinkeländerung mit vorgegebener Drehzahl aus, die durch die mechanischen Übertragungselemente in eine entsprechende Lageänderung des zu bewegenden Maschinenteils umgesetzt wird. Bedingt durch eine hohe geforderte Werkstückgenauigkeit müssen die Vorschub­ einheiten so beschaffen sein, daß die von der Steuerung vorgegebenen Lage- und Geschwindigkeitswerte mit höchster Genauigkeit und quasi ohne Verzögerung in die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück umgewandelt werden. Diese Forderung gilt besonders für mehrachsige, bahngesteuerte Werkzeugmaschinen, bei denen die einzelnen Achsbewe­ gungen funktional abhängig sind und jede Achse mit einer eigenen Vor­ schubeinheit ausgestattet ist. Dabei müssen alle Vorschubeinheiten ein ent­ sprechend hochwertiges Führungsverhalten aufweisen, da sonst Fehler bei der Erzeugung ebener und räumlicher Konturen auftreten würden.
Es treten immer Differenzen zwischen der momentanen Soll-Position und der Ist-Position der Achse auf, diese Differenz nennt man den Schleppab­ stand.
Um diese auch Schlepp-Fehler genannte Differenz möglichst gering zu hal­ ten, setzt man sogenannte Geschwindigkeits-Vorsteuerungen ein. Dabei erfolgt eine der Maschine angepaßte Geschwindigkeits-Vorgabe. Diese bil­ det zusammen mit der Geschwindigkeit, die über den Schleppabstand er­ rechnet wird, den Geschwindigkeits-Sollwert.
Zu Fehlern führt auch die Reibung zwischen den mechanischen Komponen­ ten der Maschine. Deutlich wird dies besonders bei Kreisbewegungen, wenn an Quadranten-Übergängen Umkehrspitzen auftreten.
Es ist bereits bekannt, Reibungseinflüsse zu kompensieren, indem in Ab­ hängigkeit vom Vorzeichen des Geschwindigkeits-Sollwertes das Motormo­ ment mit einem der Reibung der mechanischen Komponenten entsprechen­ den Moment beaufschlagt wird (Druckschrift "Geregelte Vorschubantriebe", Ausgabe 04194 der Gesellschaft für ingenieurtechnische Informationsverar­ beitung mbH, Dresden).
Dort wird auf Seite 22 ausführlich beschrieben, daß das Reibmoment für kleine Bereiche der Geschwindigkeit um Null nicht dazugeschlagen werden darf, um Unstabilitäten zu vermeiden.
Dieser Bereich um Null ist jedoch besonders kritisch und von besonderem Interesse, da er bei Richtungsumkehr zwangsläufig durchfahren wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein numerisches Bahn-Steue­ rungssystem zu schaffen, welches die Reibungseinflüsse der mechanischen Komponenten besonders gut kompensiert.
Diese Aufgabe wird mit einem die Merkmale des Anspruches 1 aufweisen­ den Gegenstand gelöst.
Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß durch die Einbeziehung des Lage-Sollwertes des Bahninterpolators instabiles Verhalten des Regelkrei­ ses um den Bereich der Richtungsumkehr sicher vermieden wird. Durch den direkten Zugriff vom Interpolator wird auch die Bildung von Umkehrspitzen beim Richtungswechsel vermieden.
Weitere Vorteile der Erfindung liegen in der schnellen Reaktion der Vor­ schubeinheit auf Beschleunigungs- und Richtungsänderungen. Ferner ver­ ringert sich die Schwingungsneigung des Regelkreises durch den direkten Durchgriff vom Bahninterpolator auf die Regelkreiskomponenten zur Rei­ bungskompensation.
Besonders bei dem sogenannten Kreisformtest - eines Qualitätsprüfungs- Zyklus bei Werkzeugmaschinen - wird das Fehlen von Umkehrspitzen bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Steuerung besonders deutlich.
Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung mit Hilfe der Zeich­ nungen noch näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Werkzeugmaschine mit einer numeri­ schen Steuerung;
Fig. 2 die wesentlichen Komponenten der Steuerung zum Antrieb einer Achse und
Fig. 3 ein Diagramm zweier Kreisformtests.
Eine in Fig. 1 dargestellte Werkzeugmaschine 1 weist eine numerische Steuerung 2 auf, welche die Vorschubeinheiten 3 zur Bewegung des Ti­ sches 1.1 entlang der Achsen X, Y, Z steuert. Dadurch wird die resultie­ rende Bahn des Tisches 1.1 relativ zu einem Werkzeug 1.2 bestimmt. An­ stelle des Tisches 1.1 kann auch das Werkzeug 1.2 numerisch gesteuert angetrieben werden.
In Fig. 2 ist in einem Blockschaltbild der funktionale Aufbau der Steuerung 2 für eine der Achsen X dargestellt. Die wesentlichen Komponenten dieser Steuerung 2 sind ein Bahninterpolator 4, ein Lageregler 5, ein Drehzahlreg­ ler 6 und ein Stromregler 7. Dieser Grundaufbau einer Steuerung 2 ist an sich bekannt und wird daher nur kurz beschrieben.
In Abhängigkeit der vorgegebenen Geometrie- und Technologiedaten er­ zeugt die Steuerung für jede Achse die Sollwerte, auch Führungsgrößen genannt. In Fig. 2 ist hiervon nur der Bahninterpolator 4 dargestellt, wel­ cher der nachfolgenden Reglerkaskade 5, 6, 7 den Lage-Sollwert SSOLL für die X-Achse zuführt.
Der Lageregler 5 besteht aus einem Proportionalglied P mit einem Verstär­ kungsfaktor kV, der Drehzahlregler 6 aus einem proportional-integrierenden Glied PI, der Stromregler 7 ebenfalls aus einem proportional-integrierenden Glied PI. Am Ende der Reglerkaskade 5, 6, 7 ist die Vorschubeinheit 3 der Werkzeugmaschine 1 angeordnet. Die Vorschubeinheit 3 besteht aus einem Motor 3.1 und dem Schlitten 3.2 einschließlich der Spindelantriebskompo­ nenten. Der Motor 3.1 hat beispielsweise die dargestellte Charakteristik ei­ nes PT2-Gliedes (Verzögerungsglied zweiter Ordnung) und die weiteren An­ triebskomponenten 3.2 die Charakteristik eine I-Gliedes (integrierendes Glied).
Der Lage-Istwert SIST wird mit einer geeigneten Meßeinrichtung erfaßt und für einen Vergleich mit dem Lage-Sollwert SSOLL in bekannter Weise zurück­ geführt. Aus dem Lage-Istwert SIST wird mittels eines differenzierenden Gliedes D auch der Drehzahl-Istwert nIST ermittelt und zum Vergleich mit dem Drehzahl-Sollwert nSOLL zurückgeführt. Ebenso wird der Strom-Istwert IIST des Antriebsmotors 3.1 gemessen und in bekannter Weise mit dem Strom-Sollwert ISOLL verglichen, um die Stromdifferenz dem Stromregler 7 zuzuführen.
Die Vorschubeinheit 3 soll während der Bearbeitung eines Werkstückes den Lage-Sollwerten SSOLL möglichst verzögerungsfrei und unverfälscht folgen. Abweichungen zwischen den Lage-Sollwerten SSOLL und den Lage-Istwerten SIST lassen sich sehr gut mit dem sogenannten Kreisformtest erkennen. Zur Beurteilung des Bahnverhaltens der Werkzeugmaschine wird ein Kreis als Soll-Kontur im Raum vorgegeben. Die zu prüfenden Achsen werden mit si­ nus- und cosinus-förmigen Lage-Sollwerten SSOLL beaufschlagt, die in der Summe die gewünschte Kreisbahn ergeben. Ausgewertet wird die in einer Ebene dargestellte IST-Bewegung der Achsen. Dabei wird der Maßstab so gewählt, daß Abweichungen weniger Mykrometer sichtbar werden, das heißt, man stellt die Abweichungen zwischen den Lage-Soll- und Lage-Ist­ werten vergrößert über dem Umfang dar. Fig. 3 zeigt zwei Kreisformtests. Ein Maß für die Güte der Steuerung 2 in Verbindung mit der Werkzeugma­ schine 1 sind insbesondere die Bereiche der Umkehrspitzen, wie sie beim Durchfahren der Quadrantenwechsel auftreten. Ursache dafür ist die Rich­ tungsumkehr einer Achse, das heißt der Stillstand der einen Achse, wäh­ rend sich die andere mit Maximalgeschwindigkeit bewegt. Die Kurve B in Fig. 3 wurde mit einer herkömmlichen Steuerung aufgenommen, die Um­ kehrspitzen sind sehr hoch. Um die Umkehrspitzen zu verringern, ist gemäß der Erfindung eine Reibungskompensation in der Steuerung 2 vorgesehen. Die Kurve A in Fig. 3 demonstriert einen Kreisformtest mit der erfindungs­ gemäßen Reibungskompensation.
Um die durch die Reibung der Werkzeugmaschine in der Achse X verur­ sachte Lageabweichung zwischen dem Lage-Sollwert SSOLL und dem Lage- Istwert SIST zu kompensieren, ist eine Stromvorsteuerung vorgesehen. Der Vorsteuerwert des Stromes IVOR wird dem Ausgangsstrom des Drehzahlreg­ lers 6 hinzugefügt und als ISOLL dem Vergleicher vor dem Stromregler 7 zu­ geführt. Dieser Vorsteuerwert des Stromes IVOR setzt sich im dargestellten Beispiel gemäß Fig. 2 aus mehreren Teilkomponenten zusammen. Das sind ein Basisreibungsanteil IRB ein von der Drehzahl nSOLL abhängiger An­ teil IRn und ein von der Beschleunigung abhängiger Momentenvorsteue­ rungswert Ia.
In der in Fig. 2 dargestellten Ausführung ist eine Vorsteuerung der Ge­ schwindigkeit, also der Drehzahl vorgesehen. Diese Vorsteuerung ist an sich bekannt und wird daher nicht ausführlich erläutert. Grundsätzlich be­ steht diese Vorsteuerung aus einem Regelelement 12, welchem Lage-Soll­ werte SSOLL vom Bahninterpolator 4 zugeführt werden und welches davon abhängig eine Vorsteuergeschwindigkeit nV bildet. Wesentlich dabei ist, daß diese Vorsteuergeschwindigkeit nV unabhängig von rückgeführten Istwerten und somit Einflüssen der Reglerkaskade 5, 6, 7 ist. In der Kennlinie des Reglerelementes 10 ist diese Vorsteuergeschwindigkeit nV nur als n einge­ zeichnet.
Für die Erfindung wesentlich ist der Basisreibungsanteil IRB, durch dessen optimale Dimensionierung die Umkehrspitzen in den Kurven des Kreisform­ tests bereits weitgehend eliminiert werden können. Der Basisreibungsanteil IRB steuert einen im wesentlichen mit der Vorsteuergeschwindigkeit nV kon­ stanten Reibungsanteil vor. Der Basisreibungsanteil IRB wirkt entweder in der jeweiligen Bewegungsrichtung des Vorschubs 3 oder ist gleich Null, wie in Fig. 2 in dem Regelelement 10 dargestellt ist. Das bedeutet, daß sich der Basisreibungsanteil IRB ausschließlich im Umkehrbereich gemäß der Kenn­ linie im Regelelement 10 ändert. Die in dem Regelelement 10 eingezeich­ nete Geschwindigkeit n ist ausschließlich von den Vorgaben des Bahn-in­ terpolators 4 abhängig. Erfindungsgemäß wird eine Richtungsumkehr be­ reits aus den Lage-Sollwerten SSOLL des Bahninterpolators 4 ermittelt und davon abhängig vorzeichenrichtig der Basisreibungsanteil IRB dem Strom­ regler 7 zugeführt. Bei einer Richtungsumkehr entsteht somit ein Sprung im vorzusteuernden Strom IVOR. Der Basisreibungsanteil IRB wird also direkt vom der Reglerkaskade 5, 6, 7 zugeführten Sollwert SSOLL abgeleitet. Durch diese Maßnahme wird gegenüber dem Stand der Technik auch im Bereich um die Geschwindigkeit nV = Null ein stabiles Verhalten im Regelkreis er­ reicht.
Die konstanten Stromwerte des Basisreibungsanteils IRB sind abhängig von den Eigenschaften der Werkzeugmaschine 1 und müssen zur Optimierung maschinenabhängig eingestellt werden. Eine Methode hierzu besteht darin, daß der Tisch 1.1 der Werkzeugmaschine 1 mit niedrigem Vorschub entlang der X-Achse bewegt wird. Für beide Bewegungsrichtungen +X und -X wird bei konstantem Vorschub jeweils der konstante Aufnahmestrom IIST des Motors 3.1 gemessen. Diese beiden Werte IRB′ werden abgespeichert und bei einer Richtungsumkehr während des späteren Betriebes der Werkzeug­ maschine 1 als Basisreibungsanteil IRB dem Strom-Sollwert ISOLL des Dreh­ zahlreglers 6 zugefügt.
Um den Basisreibungsanteil IRB an den tatsächlichen, zeitabhängigen Reibungsverlauf anzunähern, ist dem Regelelement 10 ein Tiefpaß 11 nachgeschaltet. Durch dieses zeitabhängige Verzögerungsglied 11 wird der vom Regelelement 10 vorgegebene Stromwert IRB′ zeitabhängig beeinflußt und somit der Verlauf der sogenannten zähen oder elastischen Reibung angenähert, so daß keine Schwingungen auftreten. Das Verzögerungsglied 11 ist im gezeigten Beispiel ein Verzögerungsglied erster Ordnung. Die Verzögerungszeit ist maschinenabhängig eingestellt.
Die Annäherung der zähen Reibung, das heißt die zeitliche Optimierung des Verlaufs des Basisreibungsanteils IRB an den tatsächlichen zeitabhängigen Verlauf der auftretenden Reibung kann anstatt mit dem Verzögerungsglied 11 auch mit anderen zeitabhängigen Verzögerungsgliedern 11 erfolgen.
Anstelle der dargestellten Kennlinie des PTI-Gliedes 11 (e-Funktion) kann die zeitabhängige Kennlinie auch einen linearen Anstieg und Abfall aufwei­ sen. Ferner ist ein parabelförmiger oder anderweitiger Anstieg und Abfall denkbar, der sich geschwindigkeitsunabhängig nach einer durch die Kenn­ linie vorgegebenen konstanten Zeit dem vom Regelelement 10 vorgegebe­ nen Wert IRB′ angleicht. Unterschiedliche Zeitkonstanten bei Ein- und Aus­ schalten (Richtung der Geschwindigkeit nV) können die Annäherung noch verbessern.
Alternativ kann der Basisreibungsanteil IRB dem Stromregler 7 als Vorsteu­ erwert zugeführt werden, wenn eine Richtungsumkehr aus den der Regler­ kaskade 5, 6, 7 zugeführten Lage-Sollwerten SSOLL und aus dem Drehzahl- Sollwert nSOLL des Drehzahlregler 6 erkannt wird. Dies kann mit einer UND- Verknüpfung erfolgen, was bedeutet, sobald aus den Vorgabewerten SSOLL des Bahninterpolators 4 UND dem Drehzahl-Sollwertgeber 5 eine Änderung der Vorschubrichtung erkannt wird, wird der Basisreibungsanteil IRB dem Stromregler 7 als Vorsteuerwert zugeschaltet. Ein Umschalten des Basisrei­ bungsanteils IRB gemäß der Kennlinien des Regelelementes 10 und des Fil­ ters 11 erfolgt erst wieder, sobald der Bahninterpolator 4 UND der Drehzahl- Sollwertgeber 5 die Vorschubrichtung ändern.
Es sind auch andere logische Verknüpfungen möglich, wesentlich dabei ist aber, daß die Aufschaltung des Basisreibungsanteils IRB immer in Abhängig­ keit der der Reglerkaskade 5, 6, 7 zugeführten Sollwerte SSOLL erfolgt.
Gemäß Fig. 2 setzt sich der Vorsteuerwert des Stromes IVOR zusammen aus dem vorher beschriebenen Basisreibungsanteil IRB, dem von der Dreh­ zahl nSOLL abhängigen Anteil IRn und dem von der Beschleunigung abhängi­ gen Momentenvorsteuerungswert Ia.
Der drehzahlabhängige Anteil der Reibungskompensation IRn wird durch ein Regelelement 9 erzeugt, an dem die Soll-Drehzahl nSOLL ansteht. Die dreh­ zahlabhängige Kennlinie des Regelelementes 9 wird erzeugt, indem der Aufnahmestrom IIST des Motors 3.3 bei maximaler Drehzahl ermittelt wird. Durch den somit ermittelten drehzahlabhängigen Stromwert und dem Null­ punkt wird eine Gerade gelegt, so daß IRn zumindest annähernd linear mit der Drehzahl nSOLL ansteigt.
Der beschleunigungsabhängige Anteil der Reibungskompensation Ia wird erzeugt, indem die Drehzahl nSOLL mittels des Regelelementes 8 differenziert wird und der am Ausgang anstehende Beschleunigungswert a mit einem vorgegebenen Stromwert I multipliziert wird, oder daß ein weiteres Regel­ element mit einer beschleunigungsabhängigen Kennlinie für den Strom Ia dem Regelelement 8 nachgeschaltet ist.
Alternativ ist es auch möglich, die Stromwerte IRn und Ia nicht von der Soll- Drehzahl nSOLL, sondern von der Vorsteuergeschwindigkeit nV abhängig zu machen. Hierzu wird die Vorsteuergeschwindigkeit nV, welche ausschließlich durch Vorgaben des Bahninterpolators 4 erzeugt wird, den Eingängen der Regelelemente 9 und 8 zugeführt. Diese Alternative ist besonders vorteil­ haft, da nur geringe Regelschwingungen auftreten können, da die Vorsteu­ ergeschwindigkeit nV keinen Regelbedingungen unterzogen ist. Die Vor­ steuergeschwindigkeit nV wird durch keine Rückführungen von Istwerten beeinflußt und ist somit frei von Mitkopplungseffekten.
Durch die erläuterten Maßnahmen, insbesondere durch das Aufschalten des Basisreibungsanteils IRB in Abhängigkeit von Sollwerten SSOLL, nIST kann die Vorschubeinheit 3 schnell auf Beschleunigungs- und Richtungsänderungen reagieren, was eine erhebliche Reduzierung der Umkehrspitzen beim Kreisformtest bewirkt.

Claims (9)

1. Numerisches Bahn-Steuerungssystem zur Steuerung zumindest einer Vorschubeinheit (3) einer Werkzeugmaschine (1) entlang einer Achse (X), wobei das Steuerungssystem (1) einen Lageregler (5), einen Dreh­ zahlregler (6) und einen Stromregler (7) aufweist und eine Reibungs­ kompensation vorgesehen ist, indem dem Stromregler (7) ein von der Reibung der mechanischen Komponenten der Werkzeugmaschine (1) abhängiger Strom-Vorsteuerwert (IVOR) aufgeschaltet wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strom-Vorsteuerwert (IVOR) einen Basisreibungs­ anteil (IRB) aufweist, der einen vorgegebenen Stromwert (IRB′) aufweist, welcher bei einer vorgegebenen Richtungsumkehr der Vorschubeinheit (3) zeitabhängig verzögert aufgeschaltet wird, wobei die Richtungsum­ kehr aus den vorgegebenen Sollwerten (SSOLL, nV) eines Bahninterpola­ tors (4) abgeleitet wird.
2. Numerisches Bahn-Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Erzeugung des Basisreibungsanteils (IRB) ein Regelelement (10) vorgesehen ist, das einen von den vorgegebenen Sollwerten (SSOLL) des Bahninterpolators (4) abhängigen Strom-Vor­ steuerwert erzeugt, und daß diesem Regelelement (10) ein Verzöge­ rungsglied (11) nachgeschaltet ist.
3. Numerisches Bahn-Steuerungssystem nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Regelelement (10) ausschließlich im Bereich der Richtungsumkehr den Stromwert (IRB′) am Ausgang ändert und im übri­ gen Bereich einen weitgehend konstanten Stromwert (IRB′) unabhängig von den vorgegebenen Sollwerten (SSOLL, nV) ausgibt.
4. Numerisches Bahn-Steuerungssystem nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verzögerungsglied (11) ein Verzögerungsglied erster Ordnung (PT1) ist.
5. Numerisches Bahn-Steuerungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom-Vorsteuerwert (IVOR) weiterhin einen Anteile (IRn) aufweist, welcher von der am Aus­ gang des Lagereglers (5) anstehenden Soll-Drehzahl (nSOLL) abhängig ist.
6. Numerisches Bahn-Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom-Vorsteuerwert (IVOR) weiter­ hin einen Anteil (Ia) aufweist, welcher von einer am Ausgang des Lage­ reglers (5) anstehenden Soll-Drehzahl (nSOLL) abgeleiteten Beschleuni­ gung (a) abhängig ist.
7. Numerisches Bahn-Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom-Vorsteuerwert (IVOR) weiter­ hin einen Anteil (IRn) aufweist, der sich über den gesamten Bereich einer Vorsteuergeschwindigkeit (nV) ändert, wobei diese Vorsteuergeschwin­ digkeit (nV) von den vorgegebenen Sollwerten (SSOLL) des Bahninterpo­ lators (4) abgeleitet wird.
8. Numerisches Bahn-Steuerungssystem nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich der Anteil (IRn) in Abhängigkeit von der Vorsteu­ ergeschwindigkeit (nV) linear ändert.
9. Numerisches Bahn-Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom-Vorsteuerwert (IVOR) weiter­ hin einen beschleunigungsabhängigen Anteil (Ia) aufweist, wobei die Beschleunigung (a) aus den vorgegebenen Sollwerten (SSOLL) des Bahninterpolators (4) abgeleitet wird.
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